Thèse Détection Optique Multimodale à la Limite de Précision Fondamentale H/F - Université Paris-Saclay GS Physique

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Ondes et Matière
Laboratoire de recherche : Laboratoire Lumière, Matière et Interfaces
Direction de la thèse : Loïc RONDIN ORCID 0000000248332886
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-01T23:59:59

Le développement de capteurs optiques a permis l'émergence de nombreuses technologies. Que ce soient les lidars au coeur de la conduite des voitures autonomes, la spectroscopie qui permet le suivi de processus industriels, ou encore les capteurs à fibre optique qui permettent de détecter à distance des changements de température ou de contrainte dans des lieux inaccessibles. Les capteurs optiques sont aussi au coeur des technologies quantiques. Par exemple, la diffusion de la lumière permet de suivre le mouvement de nanoparticules lévitées et refroidies vers leur état fondamental quantique, ce qui permet ainsi l'étude de la physique quantique macroscopique. D'autant plus, ces plateformes de piégeage optique promettent de révolutionner le GPS grâce à des accéléromètres d'une précision ultra-élevée.
Un défi consiste alors à optimiser ces capteurs afin d'atteindre leur limite de précision fondamentale. Cela est essentiel non seulement pour les rendre plus économes en énergie en réduisant la quantité de lumière nécessaire, mais aussi dans les applications de pointe, comme la lévitation optique, où extraire le maximum d'information est crucial pour ne pas détruire les propriétés quantiques. Pour cela, il faut étendre le formalisme théorique développé récemment pour des systèmes modèles [1, 2] au cas bien plus complexe de capteur et de système réels, en tenant compte en particulier de leurs aspects multimodaux (c'est-à-dire en mesurant plusieurs paramètres simultanément).

Dans ce contexte, notre objectif est de désigner et de réaliser expérimentalement de tels capteurs multimodaux complexes, opérés proches de leur limite de précision fondamentale. Ce travail va s'appuyer sur l'expertise complémentaire des deux équipes impliquées :

L'équipe de Paris-Saclay, experte sur les fondations théoriques [2] (basées sur 'l'information de Fisher' qui impose la limite de précision), et sur la lévitation optique [3], et qui a récemment démontré une mesure nano-mécanique à la limite quantique de précision [4]. L'équipe d'Exeter (supervisée par David Phillips) experte du façonnage du front d'onde : une méthode d'optimisation de l'interaction lumière-matière par la structuration de faisceaux optiques [5]. Le façonnage du front d'onde sert de base à la conception de nos capteurs innovants, permettant à la lumière d'être sculptée de manière optimale afin de recueillir autant d'informations que possible sur le ou les paramètres de mesure d'intérêt. Phillips a récemment appliqué le façonnage de front d'onde pour le contrôle multidimensionnel optimal de nanoparticules piégées optiquement [6], pour contrôler le transport de la lumière à travers des milieux diffusants dynamiques [7], et pour configurer automatiquement des dispositifs complexes de façonnage de la lumière multimodale [8], une technique qui sera appliquée dans ce projet.Nous proposons trois nouveaux capteurs optiques de démonstration de principe à complexité croissante, fonctionnant tous à leur limite de précision théorique :
- Un spectromètre pour suivre de manière optimale les variations infimes de la longueur d'onde de la lumière.
- Un capteur à fibre optique multimodal fournissant des informations multiparamétriques plus riches que celles des capteurs monomodes conventionnels.
-Le suivi optimal simultané de groupes de nanoparticules en lévitation pour le développement de technologies quantiques.

Le projet s'appuie sur les développements récents sur l'optimisation des capteurs optique en termes de précision, dont les deux équipes sont des experts reconnus internationalement. Le projet propose en particulier de mettre en oeuvre ces développements sur des capteurs d'intérêt technologique et fondamentaux importants.

Mise en place du formalisme théorique et réalisation expérimentale de trois nouveaux capteurs optiques, à complexité croissante, fonctionnant tous à leur limite de précision théorique :
- Un spectromètre pour suivre de manière optimale les variations infimes de la longueur d'onde de la lumière.
- Un capteur à fibre optique multimodal fournissant des informations multiparamétriques plus riches que celles des capteurs monomodes conventionnels.
-Le suivi optimal simultané de groupes de nanoparticules en lévitation pour le développement de technologies quantique

Le/la candidat.e devra avoir des connaissances précises en optique et/ou physique des ondes.
Il/Elle devra avoir un gout prononcé à la fois pour le formalisme et la réalisation d'expériences.